CN220022598U - 一种功率模块、电流采样设备及车辆 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种功率模块、电流采样设备及车辆一种功率模块，功率模块包括：绝缘基板、覆于绝缘基板上的金属层、位于绝缘基板上的功率单元和电流采样电阻；功率单元用于电源转换并输出交流电，金属层包括交流区域，功率单元的输出端与交流区域电连接，交流区域包括分离的第一交流区域和第二交流区域，电流采样电阻的一个端子与第一交流区域电连接，另一个端子与第二交流区域电连接，其中，交流区域为交流电的相电流流经区域。本公开通过在功率模块内部集成的电流采样电阻，实现了对功率模块输出的电流进行采集，因此本公开无需在功率模块外部额外设置电流传感器即可实现电流采集，既减少了电控系统的体积，又降低了电控系统的硬件成本。

Description

一种功率模块、电流采样设备及车辆

技术领域

本公开涉及功率模块技术领域，具体涉及一种功率模块、电流采样设备及车辆。

背景技术

汽车级功率模块通过输出交流电来驱动电机，因此在电控系统中需要对输出的交流电进行采集，并将采集到的电流应用于软件控制，通过永磁同步电机或者异步电机实现对电机的控制，从而满足整车的扭矩控制。

现有技术中，通常使用霍尔传感器与功率模块的交流输出铜排连接，实现对功率模块的电流进行采集，或是在电路板上集成电流采集芯片，但上述电流采集方案均为使用大体积的外置电流传感器，存在电控系统体积大以及成本过高的问题。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本公开提供了一种功率模块、电流采样设备及车辆，以减少电控系统的体积，降低电控系统的硬件成本。

本公开实施例提供了一种功率模块，包括：绝缘基板、覆于所述绝缘基板上的金属层、位于所述绝缘基板上的功率单元和电流采样电阻；

所述功率单元用于电源转换并输出交流电，所述金属层包括交流区域，所述功率单元的输出端与所述交流区域电连接，所述交流区域包括分离的第一交流区域和第二交流区域，所述电流采样电阻的一个端子与所述第一交流区域电连接，另一个端子与所述第二交流区域电连接，其中，所述交流区域为所述交流电的相电流流经区域。

可选的，所述电流采样电阻为Shunt电阻。

可选的，所述Shunt电阻的两个端子沿着所述交流区域中的相电流的流向放置。

可选的，所述功率模块还包括位于所述功率模块侧面的第一采样输出引脚和第二采样输出引脚，所述Shunt电阻的一个端子与所述第一采样输出引脚电连接，所述Shunt电阻的另一个端子与所述第二采样输出引脚电连接。

可选的，所述Shunt电阻的一个端子通过第一绑定线与所述第一采样输出引脚电连接，所述Shunt电阻的另一个端子通过第二绑定线与所述第二采样输出引脚电连接。

可选的，所述功率单元为半桥电路。

可选的，所述绝缘基板和所述金属层形成覆铜陶瓷基板。

本公开实施例还提供了一种电流采样设备，包括：处理单元和如上述中任一项所述的功率模块；

所述处理单元与所述电流采样电阻连接，所述处理单元用于获取所述电流采样电阻两端的采样电压，并根据所述采样电压和所述电流采样电阻确定相电流。

可选的，所述处理单元包括控制器、驱动芯片和差分运算放大器，所述差分运算放大器的输入端与所述电流采样电阻电连接，所述差分运算放大器的输出端与所述驱动芯片的输入端电连接，所述驱动芯片的输出端与所述控制器通信连接；

所述差分运算放大器用于对所述采样电压进行放大，输出放大后的模拟电压信号；所述驱动芯片用于对所述模拟电压信号进行模数转换采样，输出采样后的数字电压信号，并隔离高低压；所述控制器用于根据所述差分运算放大器的放大倍数、所述数字电压信号和所述电流采样电阻，计算所述相电流。

本公开实施例还提供了一种车辆，包括如上述中任一项所述的电流采样设备。

本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本公开实施例提供的方案中，功率模块内的绝缘基板上设置有功率单元，功率模块转换的交流电由功率单元的输出端输出。绝缘基板上具有连接于功率单元输出端的交流区域，在交流区域上设置有电流采样电阻，由于交流区域为交流电的相电流流经区域，因此可以通过采集流经电流采样电阻的电流实现对相电流的采集。本公开通过在功率模块内部集成的电流采样电阻，实现了对功率模块输出的相电流进行采集，因此本公开无需在功率模块外部额外设置电流传感器即可实现电流采集，既减少了电控系统的体积，又降低了电控系统的硬件成本。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例提供的一种功率模块的结构框图；

图2为本公开实施例提供的一种Shunt电阻的结构示意图；

图3为本公开实施例提供的一种功率模块的结构示意图；

图4为本公开实施例提供的一种半桥电路的电路图；

图5为本公开实施例提供的一种电流采样设备的结构示意图；

图6为本公开实施例提供的又一种电流采样设备的结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为本公开实施例提供的一种功率模块的结构框图，如图1所示，功率模块包括：绝缘基板110、覆于绝缘基板110上的金属层120、位于绝缘基板110上的功率单元130和电流采样电阻140。功率单元130用于电源转换并输出交流电，金属层120包括交流区域150，功率单元130的输出端131与交流区域150电连接，交流区域150包括分离的第一交流区域151和第二交流区域152，电流采样电阻140的一个端子与第一交流区域151电连接，另一个端子与第二交流区域152电连接，其中，交流区域150为交流电的相电流流经区域。

具体的，功率模块内的绝缘基板110上设置有功率单元130，功率单元130具有电源转换功能，能够将交流电或直流电转换成交流电，并将交流电由输出端131输出。功率单元130可以包括桥式电路，具体可以包括半桥电路或全桥电路。金属层120可以采用具有良好导电性及导热性的金属材料制备，例如铜。金属层120划分有连接于功率单元130的输出端131的交流区域150，在交流区域150上设置有电流采样电阻140，由于交流区域150为交流电的相电流流经区域，因此可以通过采集流经电流采样电阻140的电流实现对相电流的采集。需要说明的是，本公开可以采用现有的任一中具有上述绝缘基板110、金属层120和功率单元130的功率模块作为本公开的功率模块本体，通过集成电流采样电阻140实现对功率模块输出的相电流进行采样，对于功率模块本体的具体结构不作限制。具体的，可先将功率模块本体中的交流区域150分割成第一交流区域151和第二交流区域152，然后将电流采样电阻140跨接与第一交流区域151和第二交流区域152之间，使得第一交流区域151、电流采样电阻140和第二交流区域152串联。

本公开通过在功率模块内部集成的电流采样电阻，实现了对功率模块输出的相电流进行采集，因此本公开无需在功率模块外部额外设置电流传感器即可实现相电流采集，既减少了电控系统的体积，又降低了电控系统的硬件成本。

在一些实施例中，电流采样电阻为Shunt电阻。

示例性的，图2为本公开实施例提供的一种Shunt电阻的结构示意图，Shunt电阻180的一个端子181与第一交流区域电连接，Shunt电阻180的另一个端子182与第二交流区域电连接。Shunt电阻180为一种采样精度较高的电流采样电阻，由于Shunt电阻180的尺寸越大阻值越低，因此在对不同电流范围的电流进行采样时，可以选用不同尺寸的Shunt电阻180。例如当功率模块内电流较大的情况下，可以选用阻值较小即尺寸较大的Shunt电阻180。本公开在功率模块内部集成了一个Shunt电阻180，因此可以通过采集流经Shunt电阻180的电流实现对相电流的采集，进而实现对功率模块的电流进行采集，因此本公开无需在功率模块外部额外设置电流传感器即可实现电流采集，既减少了电控系统的体积，又降低了电控系统的硬件成本。并且，因为Shunt电阻180是一种高精度的电流采样电阻，且电阻值不会随温度漂移。因此选用Shunt电阻180作为电流采样电阻还可以提高电流采样精度。

图3为本公开实施例提供的一种功率模块的结构示意图(以直流转交流为例)，如图3所示，示例性的功率模块包括：功率单元(图中未画出)、Shunt电阻180、第一交流区域151、第二交流区域152、直流正极接入区域160以及直流负极接入区域170；功率单元的输入端分别与直流正极接入区域160和直流负极接入区域170电连接，功率单元的输出端与第一交流区域151或第二交流区域152电连接，Shunt电阻180的一个端子与第一交流区域151电连接，另一个端子与第二交流区域152电连接。示例性的，功率单元用于将直流正极接入区域160与直流负极接入区域170之间接入的的直流电转换为交流电，并将交流电由功率单元的输出端输出至第一交流区域151(以第一交流区域151)，如此，功率模块输出的相电流可依次流经第一交流区域151、Shunt电阻180和第二交流区域152，因此可以通过采集流经Shunt电阻180的电流实现对相电流的采集。本公开在功率模块内部集成了一个Shunt电阻，通过Shunt电阻对功率单元输出的相电流进行采集，进而实现对功率模块输出的相电流进行采集，因此本公开无需在功率模块外部额外设置电流传感器即可实现电流采集，既减少了电控系统的体积，又降低了电控系统的硬件成本。

在一些实施例中，Shunt电阻的两个端子沿着交流区域中的相电流的流向放置，即由Shunt电阻的一个端子朝向另一个端子的方向平行于相电流的流向。

示例性的，继续参见图3，交流区域150中的相电流的流向为横向，因此Shunt电阻的两个端子沿横向放置。

需要说明的是，图3仅示例性的画出相电流的流向为横向时的Shunt电阻放置位置，Shunt电阻放置位置还可以是相电流流向的其他位置，在此不做具体限定。

在一些实施例中，继续参见图3，功率模块还包括位于功率模块侧面的第一采样输出引脚210和第二采样输出引脚220，Shunt电阻180的一个端子与第一采样输出引脚210电连接，Shunt电阻180的另一个端子与第二采样输出引脚220电连接。

具体的，在功率模块的一侧设置有第一采样输出引脚210和第二采样输出引脚220，第一采样输出引脚210和第二采样输出引脚220用于功率模块与外部模块连接，由于第一采样输出引脚210和第二采样输出引脚220分别与Shunt电阻180的端子连接，因此外部模块可以通过第一采样输出引脚210和第二采样输出引脚220实现与功率模块内部的Shunt电阻的连接，采集Shunt电阻180两端的电压，再根据采集到的电压以及Shunt电阻180的电阻值进过计算即可实现对功率模块输出的相电流的检测。

在一些实施例中，继续参见图3，Shunt电阻180的一个端子通过第一绑定线230与第一采样输出引脚210电连接，Shunt电阻180的另一个端子通过第二绑定线240与第二采样输出引脚220电连接。

具体的，第一采样输出引脚210和第二采样输出引脚220用于功率模块与外部模块连接，通过键合的方式形成第一绑定线230，将第一采样输出引脚210与Shunt电阻180的一个端子电连接，通过键合的方式形成第二绑定线240，将第二采样输出引脚220与Shunt电阻180的另一个端子电连接。因此外部模块可以经由第一绑定线230和第二绑定线240与Shunt电阻180连接，进而可以采集Shunt电阻180两端的电压，再根据采集到的电压以及Shunt电阻180的电阻值进过计算即可实现对功率模块输出的相电流的检测。

在一些实施例中，功率单元为半桥电路。

示例性的，图4为本公开实施例提供的一种半桥电路的电路图，如图4所示，半桥电路包括第一NMOS管Q1、第二NMOS管Q2、第三NMOS管Q3、第四NMOS管Q4、第一电容C1以及Shunt电阻180；第一NMOS管Q1的漏极以及第三NMOS管Q3的漏极通过第一电容C1与第二NMOS管Q2的源极以及第四NMOS管Q4的源极电连接；第一NMOS管Q1的栅极、第二NMOS管Q2的栅极、第三NMOS管Q3的栅极以及第四NMOS管Q4的栅极均与外部控制模块电连接；第一NMOS管Q1的源极、第三NMOS管Q3的源极、第二NMOS管Q2的漏极以及第四NMOS管Q4的漏极电连接并作为半桥电路的输出端。第一NMOS管Q1的漏极以及第三NMOS管Q3的漏极还与直流电源正极电连接，第二NMOS管Q2的源极以及第四NMOS管Q4的源极还与直流电源负极电连接。半桥电路用于将电源输入的直流电转换为交流电，并将交流电由半桥电路的输出端输出，Shunt电阻180串联于半桥电路的输出端，用于采集半桥电路输出的相电流。本公开在功率模块内部的半桥电路的输出端设置一个Shunt电阻180，通过对采集到的Shunt电阻180两端的电压以及Shunt电阻180的电阻值进行计算，即可实现对半桥电路输出的相电流进行采集，进而实现对功率模块输出的相电流进行采集，因此本公开无需在功率模块外部额外设置电流传感器即可实现电流采集，既减少了电控系统的体积，又降低了电控系统的硬件成本。

在一些实施例中，绝缘基板和金属层形成覆铜陶瓷基板。

具体的，Shunt电阻可以通过焊接或烧结的方式固定在覆铜陶瓷基板，通过覆铜陶瓷基板实现Shunt电阻与功率单元的输出端的电连接，进而可以采集流经Shunt电阻两端的电压，再将采集到的电压与Shunt电阻的电阻值经过计算，即可实现流经Shunt电阻的电流进行采集，进而实现对功率模块的电流进行采集。

图5为本公开实施例提供的一种电流采样设备的结构示意图，如图5所示，电流采样设备包括：处理单元310和如上述中任一项所述的功率模块320；处理单元310与电流采样电阻140连接，处理单元310用于获取电流采样电阻140两端的采样电压，并根据采样电压和电流采样电阻140确定相电流。

具体的，电流采样电阻140设置于功率模块320内的交流区域，交流区域为交流电的相电流流经区域，因此采集经过电流采样电阻140的电流即可获取功率模块320的输出电流。处理单元310可以通过功率模块320一侧的第一采样输出引脚和第二采样输出引脚与电流采样电阻140的两端电连接，进而可以获取电流采样电阻140两端的采样电压，并根据采样电压和电流采样电阻140的电阻值确定相电流。本公开通过在功率模块内部集成的电流采样电阻，实现了对功率模块输出的相电流进行采集，因此本公开无需在功率模块外部额外设置电流传感器即可实现电流采集，既减少了电控系统的体积，又降低了电控系统的硬件成本。

图6为本公开实施例提供的又一种电流采样设备的结构示意图，如图6所示，处理单元包括控制器311、驱动芯片312和差分运算放大器313，差分运算放大器313的输入端3131与电流采样电阻140电连接，差分运算放大器313的输出端3132与驱动芯片312的输入端3121电连接，驱动芯片312的输出端3122与控制器通信连接。

差分运算放大器313用于对采样电压进行放大，输出放大后的模拟电压信号；驱动芯片312用于对模拟电压信号进行模数转换采样，输出采样后的数字电压信号，并隔离高低压；控制器311用于根据差分运算放大器313的放大倍数、数字电压信号和电流采样电阻，计算相电流。

具体的，差分运算放大器313的输入端3131通过功率模块320一侧的第一采样输出引脚和第二采样输出引脚与电流采样电阻140的两端电连接，并将采集到的电流采样电阻140的电压进行放大，再从差分运算放大器313的输出端3132输出放大后的模拟电压信号。驱动芯片312的输入端3121接收到模拟电压信号后，对模拟电压信号进行模数转换采样，并从驱动芯片312的输出端3122输出采样后的数字电压信号，并且实现了高压侧电流信号到低压侧的隔离。控制器311根据差分运算放大器313的放大倍数、接收到的数字电压信号以及电流采样电阻140的电阻值，即可计算得到相电流，由此实现了通过功率模块内部集成的电流采样电阻，对功率模块输出的相电流进行采集，因此本公开无需在功率模块外部额外设置电流传感器即可实现电流采集，既减少了电控系统的体积，又降低了电控系统的硬件成本。

可选的，驱动芯片312的型号可以是L9502、GD3160或其他功能相同的驱动芯片，在此不做具体限定。

本公开实施例还提供了一种车辆，车辆包括上述实施例任一项所述的电流采样设备。

本公开实施例的车辆的有益效果与上文所述实施例的的有益效果相同，请参考上文理解。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种功率模块，其特征在于，包括：绝缘基板、覆于所述绝缘基板上的金属层、位于所述绝缘基板上的功率单元和电流采样电阻；

所述功率单元用于电源转换并输出交流电，所述金属层包括交流区域，所述功率单元的输出端与所述交流区域电连接，所述交流区域包括分离的第一交流区域和第二交流区域，所述电流采样电阻的一个端子与所述第一交流区域电连接，另一个端子与所述第二交流区域电连接，其中，所述交流区域为所述交流电的相电流流经区域。

2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述电流采样电阻为Shunt电阻。

3.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述Shunt电阻的两个端子沿着所述交流区域中的相电流的流向放置。

4.根据权利要求2所述的功率模块，其特征在于，所述功率模块还包括位于所述功率模块侧面的第一采样输出引脚和第二采样输出引脚，所述Shunt电阻的一个端子与所述第一采样输出引脚电连接，所述Shunt电阻的另一个端子与所述第二采样输出引脚电连接。

5.根据权利要求4所述的功率模块，其特征在于，所述Shunt电阻的一个端子通过第一绑定线与所述第一采样输出引脚电连接，所述Shunt电阻的另一个端子通过第二绑定线与所述第二采样输出引脚电连接。

6.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述功率单元为半桥电路。

7.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述绝缘基板和所述金属层形成覆铜陶瓷基板。

8.一种电流采样设备，其特征在于，包括：处理单元和如权利要求1-7中任一项所述的功率模块；

所述处理单元与所述电流采样电阻连接，所述处理单元用于获取所述电流采样电阻两端的采样电压，并根据所述采样电压和所述电流采样电阻确定相电流。

9.根据权利要求8所述的电流采样设备，其特征在于，所述处理单元包括控制器、驱动芯片和差分运算放大器，所述差分运算放大器的输入端与所述电流采样电阻电连接，所述差分运算放大器的输出端与所述驱动芯片的输入端电连接，所述驱动芯片的输出端与所述控制器通信连接；

所述差分运算放大器用于对所述采样电压进行放大，输出放大后的模拟电压信号；所述驱动芯片用于对所述模拟电压信号进行模数转换采样，输出采样后的数字电压信号，并隔离高低压；所述控制器用于根据所述差分运算放大器的放大倍数、所述数字电压信号和所述电流采样电阻，计算所述相电流。

10.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求8-9中任一项所述的电流采样设备。